Doppelt exotischer Kernzerfall

Das protonenreiche Silberisotop ⁹⁴Ag zerfällt durch Einzel- und Doppelprotonenemission.

Der radiaktive Zerfall von Atomkernen wird seit mehr als 100 Jahren intensiv erforscht. Für die drei „klassischen“ Zerfallsarten – den α-, β- und γ-Zerfall – sind die starke, die schwache bzw. die elektromagnetische Wechselwirkung verantwortlich. Dabei entweichen dem zerfallenden Atomkern ein Heliumkern, ein Elektron oder Positron, bzw. ein Gammaquant. Kerne mit großem Neutronen- oder Protonenüberschuss können auch durch Abgabe eines Neutrons oder Protons in eine stabilere Konfiguration übergehen.

Der Kernzerfall durch Protonenemission wurde erstmals 1970 in Oxford am Isotop Kobalt-53 beobachtet. In den folgenden Jahren wurden etwa 30 weitere Beispiele für die Protonenradiaktivität entdeckt. Stets hatten die zerfallenden Kerne eine ungerade Ordnungszahl Z, d. h. sie enthielten eine ungerade Zahl von Protonen. Es ist für die Protonen im Atomkern energetisch günstig, Paare zu bilden, die durch die Kernkraft zusammengehalten werden. Bei ungeradem Z ist ein Proton überzählig und kann bei Protonenüberschuss aus dem Kern heraustunneln.

Am Beschleuniger GANIL in Frankreich hatte man 2002 beobachtet, dass das Eisenisotop ⁴⁵Fe durch gleichzeitige Emission von zwei Protonen zerfallen kann. Diese exotische Doppelprotonenradiaktivität hat man 2005 ebenfalls am GANIL auch für ⁵⁴Zn nachgewiesen. Beide Kerne haben eine gerade Ordnungszahl und ihre Protonen sind zu Paaren gebunden. Einzelprotonenradioaktivität tritt bei diesen Kernen nicht auf, denn dazu müsste ein Protonenpaar mit hohem Energieaufwand aufgebrochen werden. Doch jetzt berichten Ivan Mukha und seine Kollegen von der GSI in Darmstadt, dass das Silberisotop ⁹⁴Ag (mit Z=47) sowohl durch Einzel- als auch durch Doppelprotonenradiaktivität zerfallen kann.

Die Forscher beobachteten die Einzel- und Doppelprotonenradioaktivität für Silber-94-Kerne, die sich nicht im Grundzustand befanden sondern in einem rotierenden, langlebigen metastabilen Zustand. Die rotierenden, angeregten Silberkerne erzeugten sie dadurch, dass sie ein Target aus Nickel-58 mit Kalzium-40-Ionen beschossen. Der Nachweis der Einzelprotonenradioaktivität war den GSI-Forschern schon im vergangenen Jahr gelungen. Dabei entstand aus dem Silber-94 das Palladiumisotop ⁹³Pd. Jetzt untersuchten sie anhand ihrer damaligen Messdaten, ob es bei den beobachteten Emissionen der Protonen Korrelationen gab, die auf ein Entweichen von Protonenpaaren aus dem Kern hinwiesen, wobei Rhodium-92 entstehen würde.

Beim Registrieren der Protonen mit Siliziumdetektoren waren tatsächlich Koinzidenzen aufgetreten, die auf ein gleichzeitiges Entweichen von jeweils zwei Protonen zurückgingen. Dabei verließen die Protonen den Kern mit hoher Wahrscheinlichkeit entweder in gleicher Richtung oder in entgegengesetzte Richtungen. Diese zweite Möglichkeit kann nicht durch das vereinfachende Modell erklärt werden, wonach die beiden Protonen gemeinsam als He-2-Kern aus dem Silber-94-Kern heraustunneln. Die Messungen hatten auch ergeben, dass die Wahrscheinlichkeit für einen Doppelprotonenzerfall des Silbers überraschend hoch ist: Die für diese Zerfallsart gemessene Halbwertszeit liegt bei etwa 100 s, während die Berechnungen eine tausend- bis millionenfach größere Halbwertszeit erwarten ließen.

Für diese Diskrepanz haben Ivan Mukha und seine Kollegen folgende Erklärung. Sie nehmen an, dass die Silber-94-Kerne nicht kugelförmig sondern extrem stark deformiert sind und die Gestalt einer Zigarre haben, die etwa doppelt so lang wie dick ist. Unter dieser Annahme errechnen sie eine Halbwertszeit, die mit der gemessenen gut übereinstimmt. Außerdem finden sie, dass die beiden Protonen den zigarrenförmigen Kern gleichzeitig verlassen, und zwar bevorzugt durch seine beiden Enden. Dabei entweichen sie entweder durch dasselbe Ende oder durch die gegenüberliegenden Enden. Entsprechend fliegen die Protonen dann in gleicher Richtung oder in entgegengesetzte Richtungen davon.

Die Forscher räumen allerdings ein, dass ihr Modell der Doppelprotonenradioaktivität des Silbers noch viele Fragen offen lässt. Eine quantitative Beschreibung der Vorgänge bleibt eine Herausforderung für die Theorie. Genauere Messungen der Proton-Proton-Korrelationen und der Gestalt der Atomkerne wären da sicher hilfreich.

Rainer Scharf

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung:
  Ivan Mukha et al.: Proton-proton correlations observed in two-proton radioactivity of ⁹⁴Ag. Nature 439, 298 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature04453
  http://www.nature.com/nature/journal/v439/n7074/abs/nature04453.html   
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema Protonenradioaktivität finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. in der Kategorie Kernphysik+Publikationen.

Weitere Literatur:

• Juha Äystö: Nuclear physics: Odd couple decays. Nature 439, 279 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1038/439279a
  http://www.nature.com/nature/journal/v439/n7074/edsumm/e060119-09.html   
• Bertram Blank: Researchers observe two-proton radioactivity. CERN-Courier, December 2002.
  http://www.cerncourier.com/main/article/42/10/16   
• Mukha et al.: Observation of direct proton decay of the high-spin isomer ⁹⁴Ag (21 ⁺)
  http://www.gsi.de/informationen/wti/.../PAPERS/NUSTAR-E-14.pdf   
• M. Pfützner et al.: Discovery of the Two-Proton Decay of ⁴⁵Fe. Acta Physica Polonica B 34, 2363 (2003).
  http://th-www.if.uj.edu.pl/acta/vol34/abs/v34p2363.htm (frei!)   
• J. Giovinazzo et al.: Two-Proton Radioactivity of ⁴⁵Fe. Phys. Rev. Lett. 89, 102501 (2002).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.89.102501
  http://arxiv.org/abs/nucl-ex/0205013   
• B. Blank et al.: First Observation of ⁵⁴Zn and its Decay by Two-Proton Emission. Phys. Rev. Lett. 94, 232501 (2005).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.94.232501
  http://arxiv.org/abs/nucl-ex/0505016